### 基于物理的渲染（Physically Based Rendering, PBR）：理论到实现
#### 1. 引言
渲染是一种将三维场景转化为二维图像的过程。这一过程极为广泛，存在多种实现方式。基于物理的技术旨在模拟现实世界中的现象；具体而言，这类技术通过运用物理学原理来模拟光线与物质之间的相互作用。在基于物理的渲染领域，追求真实感通常是首要目标。这种做法与交互式渲染或非照片级真实感渲染形成对比。前者为了获得高性能和低延迟而牺牲了真实感；后者则更注重艺术自由度和表现力。
本书详述了一个基于光线追踪算法的物理渲染系统——pbrt。多数计算机图形学书籍通常会介绍算法及其背后的理论，并偶尔辅以代码片段。相比之下，本书将理论与一个功能完备的渲染系统的完整实现相结合。
#### 1.1 文档化编程
编写TeX排版系统时，唐纳德·克努斯（Donald Knuth）发展出了一种新的编程方法论。该方法的核心思想是：程序应当更多地面向人而非计算机编写。他将这种方法称为文档化编程（Literate Programming）。本书（包括你现在阅读的章节）即为一个大型的文档化程序。这意味着，在阅读本书的过程中，读者不仅能够了解渲染系统的高级描述，还能阅读其完整的实现。
文档化程序采用一种元语言编写，该元语言将文档格式化语言（如TeX或HTML）与编程语言（如C++）混合使用。有两个独立的系统处理该程序：一个是“编织者”（Weaver），它将文档化程序转换成适合排版的文档；另一个是“纠缠器”（Tangle），它生成可编译的源代码。我们的文档化编程系统是自制的，但受到了诺曼·拉姆西（Norman Ramsey）的Noweb系统的重大影响。
文档化编程元语言提供了两个重要的特性：
1. **混合叙述与源代码**：这一特性使得程序的描述与其实际源代码同样重要，鼓励精心设计与文档撰写。
2. **呈现程序代码**：语言提供了机制，使读者能够按照逻辑顺序而非编写顺序阅读程序代码。这有助于理解代码的结构与功能。
#### 物理渲染的基本概念
物理渲染的核心在于模拟自然界的光传播过程，包括光线如何被物体吸收、反射和折射。为了达到高度的真实感，物理渲染技术需要考虑诸多因素，例如不同材料表面的光学性质、光源类型、环境光照条件等。
1. **光学基础**：物理渲染的基础在于理解光线与物质之间的交互。包括反射定律、折射定律以及菲涅尔公式等。
2. **材质模型**：物理渲染中使用的材质模型力求模拟现实世界的表面特性。这些模型能够描述表面的光泽度、粗糙度以及颜色等属性。
3. **光线追踪**：光线追踪是物理渲染中最常用的算法之一。它通过追踪从观察者出发的光线路径，计算光线与场景中的物体相交的情况，进而模拟光线的传播效果。
4. **环境光照**：为了增强场景的真实感，物理渲染通常会考虑到环境光的影响。这包括天光、地面反射光等自然环境因素。
#### 结论
通过结合理论知识与实际应用案例，本书不仅介绍了基于物理的渲染技术的基本概念，还深入探讨了其实现细节。文档化编程方法的应用进一步加强了理论与实践的结合，使读者能够在理解和实践之间建立紧密联系。无论是对于研究人员还是对高质量渲染有需求的专业人士来说，这本书都是一本宝贵的资源。
